JPH0628708U - 薄膜の表面硬さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】薄膜の表面硬さを高精度に評価する。 【構成】互いに異なる接触圧で薄膜２に押付けられる複
数の突起１６を有しこれら突起１６によって薄膜２の複
数箇所を押圧する薄膜押圧体１４と、先端に薄膜２の表
面に近接対向する探針２１を有し基端を一定レベルに支
持されて薄膜２の押圧箇所を含む領域を走査するととも
に探針２１の先端と薄膜２との間に働く原子間力により
薄膜２の表面状態に応じて変位する薄膜倣い素子１９
と、この倣い素子１９の変位を検出する検出器２３とを
備えた。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、薄膜の表面硬さを測定するための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来、基板上に蒸着法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＬＢ（ラング ミュア・ブロジェット）法等によって成膜した金属膜、酸化金属膜、酸化シリコ ン膜、窒化シリコン膜、有機単分子膜等の薄膜の表面硬さの測定は、ビッカース 試験装置によって行われている。

【０００３】 上記ビッカース試験装置は、基板上に成膜した薄膜に錐状の突起（ビッカース 圧子）を押付け、薄膜の表面にできた押し跡（くぼみ）の深さから薄膜の表面硬 さを評価するもので、薄膜表面の押し跡の深さは、光学顕微鏡によって目視判定 されている。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記ビッカース試験装置は、薄膜表面の押し跡の深さを光学顕 微鏡によって目視判定するものであるため、押し跡の深さを正確に判定すること ができず、したがって、薄膜の表面硬さを高精度に評価することができなかった 。 本考案の目的は、薄膜の表面硬さを高精度に評価することができる表面硬さ測 定装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本考案の表面硬さ測定装置は、互いに異なる接触圧で前記薄膜に押付けられる 複数の突起を有しこれら突起によって前記薄膜の複数箇所を押圧する薄膜押圧体 と、先端に前記薄膜の表面に近接対向する探針を有し基端を一定レベルに支持さ れて前記薄膜の押圧箇所を含む領域を走査するとともに前記探針の先端と前記薄 膜との間に働く原子間力により前記薄膜の表面状態に応じて変位する薄膜倣い素 子と、前記倣い素子の変位を検出する検出器とを備えたことを特徴とするもので ある。

【０００６】

【作用】

すなわち、本考案の表面硬さ測定装置は、薄膜を薄膜押圧体の突起で押圧し、 この薄膜の押圧箇所を含む領域を薄膜倣い素子で走査して薄膜の押圧箇所にでき た押し跡の深さを測定するものであり、前記倣い素子は薄膜の表面状態に応じて 変位するため、この倣い素子の変位を検出器で検出すれば、薄膜にできた押し跡 の深さを測定することができる。

【０００７】 そして、この表面硬さ測定装置においては、上記倣い素子が、薄膜の表面に近 接対向する探針の先端と薄膜との間に働く原子間力によって変位するため、倣い 素子による薄膜表面の倣い精度が高く、したがって、薄膜表面の押し跡の深さを 精度良く測定して、薄膜の表面硬さを高精度に評価することができる。

【０００８】 しかも、この表面硬さ測定装置では、上記薄膜押圧体を、互いに異なる接触圧 で薄膜に押付けられる複数の突起によって薄膜の複数箇所を押圧するものとして いるため、異なる押圧力に対する押し跡の深さを同時に知ることができ、したが って薄膜の表面硬さを能率良く測定することができる。

【０００９】

【実施例】

以下、本考案の一実施例を図１〜図５を参照して説明する。図１は表面硬さ測 定装置の基本構成を示す斜視図、図２は表面硬さ測定装置の側面図である。

【００１０】 この表面硬さ測定装置は、基台１１とこの基台１１に一端を支持されてその上 方に設けられた梁部１２とからなる装置本体１０に、基板支持テーブル１３と、 薄膜押圧体１４と、薄膜倣い素子１９と、この倣い素子１９の変位を検出する検 出器２３とを設けて構成されている。

【００１１】 上記基板支持テーブル１３は、薄膜２を成膜した基板１を真空吸着等の手段に よって固定支持するもので、この基板支持テーブル１３は、装置本体１０の基台 １１上に配置され、基台１１内に設けた図示しない移動装置によって、Ｘおよび Ｙ方向（左右および前後方向）とＺ方向（上下方向）とに移動されるようになっ ている。

【００１２】 なお、上記基板支持テーブル１３の移動装置は、Ｘ方向移動機構と、Ｙ方向移 動機構と、Ｚ方向方向移動機構とを備えており、これら移動機構はそれぞれ高精 密ボールねじ等で構成されている。また、前記Ｚ方向移動機構は、基板支持テー ブル１３を極く僅かに上下動させる微動機構も備えており、この微動機構はピエ ゾ素子等で構成されている。

【００１３】 また、薄膜押圧体１４は、複数本（図では５本）の弾性アーム１５からなって おり、各アーム１５の先端にはそれぞれ前記薄膜２に押付けられる突起１６が設 けられている。これら弾性アーム１５はそれぞれ互いに異なるばね力をもってお り、各アーム１５の先端の突起１６は、そのアーム１５のばね力により、互いに 異なる接触圧で基板１上の薄膜２に押付けられる。

【００１４】 なお、この実施例では、各アーム１５を１枚の極薄金属板を櫛歯状にプレス加 工して形成し、各アーム１５の長さを異ならせて、各アーム１５に異なるばね力 をもたせている。

【００１５】 また、上記各突起１６は、例えばシリコンナイトライト（Ｓi Ｎ）を異方性エ ッチングによって錐状に加工したもので、この突起１６は図３（ａ）に示すよう な四角錐状をなしており、弾性アーム１５の先端に接着固定されている。

【００１６】 すなわち、上記薄膜押圧体１４は、その各突起１６の先端を互いに異なる接触 圧で上記薄膜２の表面に押付けて、これら突起１６により薄膜２の複数箇所を押 圧するものであり、この薄膜押圧体１４は、その基部を、装置本体１０の梁部１ ２に設けた昇降機構１７によって昇降される押圧体支持部材１８の下面に接着し て、この支持部材１８に支持されている。

【００１７】 なお、上記昇降機構１７は、薄膜押圧体１４を薄膜倣い素子１９の上方と下方 とに昇降させるもので、この昇降機構１７は例えばソレノイドによって構成され ている。

【００１８】 一方、薄膜倣い素子１９は、原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバー（片持 ちレバー）と同様なもので、この倣い素子１９は、１０^-7〜１０^-11 Ｎ（ニュー トン）の力で撓み変形する金属箔（例えば金箔）製のレバー片２０からなってお り、その先端には、薄膜の表面に近接対向する探針２１が設けられている。

【００１９】 上記探針２１は、シリコン（Ｓi ）引上げ、酸化錫（Ｚn Ｏ）ウイスカ−、シ リコンナイトライト（Ｓi Ｎ）の異方性エッチング等による錐状針であり、この 探針２１は例えば図３（ｂ）に示すような円錐状をなしており、上記レバー片２ ０の先端に接着固定されている。なお、この探針２１は、上述した薄膜押圧体１ ４の各突起１６より尖鋭に形成されている。

【００２０】 そして、上記倣い素子１９は、その基端（レバー片２０の基部）を装置本体１ ０の梁部１２に設けた倣い素子固定部材２２の下面に接着して、基端が常に一定 レベルにあるように支持されている。なお、この倣い素子１９は、その先端の探 針２１の重さで先下がりに撓み変形している。

【００２１】 すなわち、上記倣い素子１９は、その基端を一定レベルに支持され、先端の探 針２１の先端を上記薄膜２の表面に近接対向させた状態で上記薄膜２の押圧箇所 （薄膜押圧体１４の各突起１６で押圧された箇所）を含む領域を走査するもので 、この倣い素子１９は、その探針２１の先端と薄膜２との間に働く原子間力によ り薄膜２の表面状態に応じて変位（レバー片２０の傾き角が変化）する。

【００２２】 また、倣い素子１９の変位を検出する検出器２３は、例えば、倣い素子１９の 上面（レバー片２０の上面）にレーザビームを照射してその反射光の光束の拡大 率から倣い素子１９の変位量を検出するもので、この検出器２３は、装置本体１ ０の梁部１２に設けられている。 上記構成の装置による薄膜の表面硬さ測定は次のようにして行なう。

【００２３】 まず、薄膜２を成膜した基板１をその薄膜成膜面を上にして基板支持テーブル １３の上に固定し、薄膜押圧体１４をその各突起１６の先端が倣い素子１９の探 針２１の先端より下方にくるように下降させる。

【００２４】 次に、基板支持テーブル１３をＺ方向移動機構により上昇させて、基板１上の 薄膜２に薄膜押圧体１４の各突起１６の先端を押付け、この各突起１６によって 薄膜２の複数箇所を同時に押圧する。なお、このときは、薄膜押圧体１４が倣い 素子１９の下方に下降されているため、倣い素子１９は薄膜２から十分に離間し ている。

【００２５】 このように薄膜２を薄膜押圧体１４の各突起１６で押圧すると、薄膜２の複数 箇所に、前記各突起１６の先端のめり込みによる押し跡（くぼみ）ができる。図 ４はこの状態を示しており、ａ〜ｅは各突起１６の押付けによって薄膜２に生じ た押し跡を示している。

【００２６】 この場合、各突起１６はそれぞれ異なる接触圧で薄膜２に押付けられるため、 薄膜２にできる各押し跡ａ〜ｅの深さは、強い接触圧で薄膜２に押付けられた突 起１６による押し跡ほど深くなる。なお、上記押し跡は、全ての押圧箇所に必ず できるとは限らず、例えば接触圧が最も小さい突起１６で押圧された箇所には押 し跡ができないこともある。

【００２７】 このようにして薄膜２の複数箇所を薄膜押圧体１４の各突起１６で押圧した後 は、昇降機構１７により薄膜押圧体１４をその各突起１６の先端が倣い素子１９ の探針２１の先端より上方にくるように上昇させて各突起１６を薄膜２から離間 させるとともに、基板支持テーブル１３をＸ方向移動機構およびＹ方向移動機構 により移動させて、倣い素子１９の探針２１を、薄膜２の全ての押圧箇所を含む 領域（図５に破線で囲んで示した矩形領域）の１つのコーナー部に対向位置させ る。

【００２８】 次に、基板支持テーブル１３をＺ方向移動機構の微動機構によりさらに上昇さ せて、基板１上の薄膜２を倣い素子１９に近づけ、倣い素子１９の探針２１の先 端を薄膜２の表面に近接対向させる。

【００２９】 この場合、探針２１の先端と薄膜２の表面との間隔が約０．８ｎｍ以下になる と、探針先端の原子と薄膜表面の原子との間にその電子雲相互の干渉による引力 （ロンドン力、静電引力、分散力、ファンデルワーズ力等とも呼ばれる）が生じ 、さらに両者の間隔が０．３ｎｍ程度まで小さくなると、個々の電子が狭い領域 に閉じ込められるのを嫌って斥力（交換斥力、パウリ力、反発力等とも呼ばれる ）が生じる。

【００３０】 このため、倣い素子１９の探針２１は、最終的に、探針先端の原子と薄膜表面 の原子との間の引力と斥力とが釣り合う間隔で薄膜２の表面に近接対向し、また この状態で基板支持テーブル１３の上昇を停止すると、倣い素子１９の初期の姿 勢（レバー片２０の傾き角）が決まる。

【００３１】 次に、検出器２３による倣い素子１９の変位検出を開始し、この後、基板支持 テーブル１３をＹ方向移動機構により往復移動させるとともに、このテーブル１ ３をＸ方向移動機構により一方向に微速度で移動させることにより、薄膜２の全 ての押圧箇所を含む領域の全域を倣い素子１９で走査させる。なお、このときは 、薄膜引っ掻き体１４が倣い素子１９の上方に位置しているため、薄膜引っ掻き 体１４の各突起１６は薄膜２から十分に離間して薄膜２の上方を移動するだけで あり、したがって、倣い素子１９による薄膜表面の走査中に薄膜２が薄膜押圧体 １４の突起１６で引っ掻かれることはない。

【００３２】 図５は倣い素子１９による薄膜表面の走査状態を示しており、倣い素子１９は 、図に一点鎖線で示した軌跡で薄膜２の表面を走査する。なお、図５では、図を 簡略にするために倣い素子１９の走査軌跡を大きなピッチで示したが、実際の走 査軌跡のピッチは、探針２１の先端の直径と同程度である。

【００３３】 このように薄膜２の全ての押圧箇所を含む領域の全域を倣い素子１９で走査し て行くと、薄膜２との間の原子間力により薄膜表面に対して常に一定の間隔（原 子間に生じる引力と斥力とが釣り合う間隔）で近接対向する探針２１が薄膜２の 表面状態に応じて上下動し、これにともなって、基端を一定レベルに支持されて いる倣い素子１９が変位（レバー片２０の傾き角が変化）する。なお、倣い素子 １９は、薄膜２の引っ掻き箇所以外の部分を走査しているときは薄膜自体の表面 粗さに応じて僅かに変位するだけであるが、各押圧箇所を走査したときは、その 箇所の押し跡の深さに応じて変位する。

【００３４】 そして、倣い素子１９の変位は、検出器２３により継続して検出されるため、 この検出器２３で検出された倣い素子１９の変位量から、薄膜２の各押し跡ａ〜 ｅの深さを測定し、薄膜２の表面硬さを評価することができる。

【００３５】 なお、検出器２３の検出値が薄膜２のどの押圧箇所を倣い素子１９が走査した ときの変位量であるかは、例えば、倣い素子１９のＸ方向走査時間と、Ｘ方向走 査中における検出値が大きく変化したときの時間との比から求めることができる し、また薄膜２の表面硬さは、倣い素子１９の変位量に基づいて測定した各押し 跡ａ〜ｅの深さと、薄膜押圧体１４の各突起１６の薄膜２に対する押付け力（弾 性アーム１５のばね力とから求めることができる。

【００３６】 すなわち、上記表面硬さ測定装置は、基板１上に成膜した薄膜２を薄膜押圧体 １４の錐状突起１６で押圧し、この薄膜２の押圧箇所を含む領域を倣い素子１９ で走査して薄膜１の押圧箇所にできた押し跡の深さを測定するものであり、前記 倣い素子１９は薄膜２の表面状態に応じて変位するため、この倣い素子１９の変 位を検出器２３で検出すれば、薄膜にできた押し跡の深さを測定することができ る。

【００３７】 そして、この表面硬さ測定装置においては、上記倣い素子１９が、薄膜２の表 面に近接対向する探針２１の先端と薄膜２との間に働く原子間力によって変位す るため、倣い素子１９による薄膜表面の倣い精度が高く、したがって、薄膜表面 の押し跡の深さを精度良く測定して、薄膜２の表面硬さを高精度に評価すること ができる。

【００３８】 しかも、この表面硬さ測定装置では、上記薄膜押圧体１４を、互いに異なる接 触圧で薄膜２に押付けられる複数の突起１６によって薄膜２の複数箇所を押圧す るものとしているため、異なる押圧力に対する押し跡ａ〜ｅの深さを同時に知る ことができ、したがって薄膜２の表面硬さを能率良く測定することができる。

【００３９】 なお、上記実施例では、薄膜押圧体１４の各弾性アーム１５を、１枚の極薄金 属板を櫛歯状にプレス加工して形成しているが、これら弾性アーム１５は、ばね 定数が異なる金属板で個別に形成してもよく、その場合は、各弾性アーム１５の 長さは同じでもよい。

【００４０】

【考案の効果】

本考案の表面硬さ測定装置は、互いに異なる接触圧で前記薄膜に押付けられる 複数の突起を有しこれら突起によって前記薄膜の複数箇所を押圧する薄膜押圧体 と、先端に前記薄膜の表面に近接対向する探針を有し基端を一定レベルに支持さ れて前記薄膜の押圧箇所を含む領域を走査するとともに前記探針の先端と前記薄 膜との間に働く原子間力により前記薄膜の表面状態に応じて変位する薄膜倣い素 子と、前記倣い素子の変位を検出する検出器とを備えたものであるから、薄膜表 面の押し跡の深さを精度良く測定して薄膜の表面硬さを高精度に評価することが できるし、また、異なる押圧力に対する押し跡の深さを同時に知ることができる ため、薄膜の表面硬さを能率良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】表面硬さ測定装置の基本構成を示す斜視図。

【図２】表面硬さ測定装置の側面図。

【図３】薄膜押圧体の突起と薄膜倣い素子の探針の形状
を示す拡大斜視図。

【図４】薄膜を薄膜押圧体で押圧した状態の平面図。

【図５】薄膜倣い素子による薄膜表面の走査状態を示す
平面図。

【符号の説明】

１…基板 ２…薄膜 １０…装置本体 １３…基板支持テーブル １４…薄膜押圧体 １５…弾性アーム １６…突起 １９…薄膜倣い素子 ２０…レバー片 ２１…探針 ２３…検出器 ａ〜ｅ…押し跡

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜の表面硬さを測定する装置であって、 互いに異なる接触圧で前記薄膜に押付けられる複数の突
   起を有し、これら突起によって前記薄膜の複数箇所を押
   圧する薄膜押圧体と、 先端に前記薄膜の表面に近接対向する探針を有し基端を
   一定レベルに支持されて前記薄膜の押圧箇所を含む領域
   を走査するとともに、前記探針の先端と前記薄膜との間
   に働く原子間力により前記薄膜の表面状態に応じて変位
   する薄膜倣い素子と、 前記倣い素子の変位を検出する検出器と、 を備えたことを特徴とする薄膜の表面硬さ測定装置。